載氣熱提取法測定熔敷金屬中擴散氫收集條件的探究

金浩 邸赫 馬青軍 宋南 王博健

摘要：探究了GB/T 3965—2012《熔敷金屬中擴散氫測定方法》中載氣熱提取法收集條件對測定擴散氫含量的影響，并與水銀法進行了對比。研究結(jié)果表明，樣本爐溫設(shè)定為400 ℃，A型試塊的內(nèi)部溫度大約在51 min時穩(wěn)定在358 ℃左右，B型試塊內(nèi)部溫度大約在27 min時穩(wěn)定在391 ℃左右;載氣熱提取法電信號曲線收集結(jié)束點的電信號及斜率均接近0時獲得的結(jié)果與水銀法具有較好的一致性。

關(guān)鍵詞：擴散氫;載氣熱提取法;水銀法;收集時間;試塊內(nèi)部溫度

中圖分類號：TG 422

Abstract：The influence of collection conditions in hot-extraction method of GB/T 3965—2012 Determination of Diffusion Hydrogen in Deposited Metal on the determination of diffusible hydrogen content was studied?and the results were compared with mercury method. The results indicated that the internal temperature of test specimens A was 358 ℃ after 51 min holding at 400 ℃. The internal temperature of test specimens B was 391 ℃ after 27 min holding at 400 ℃. ?When the electrical signal and the slope of the end point of the electric signal curve were close to 0?the results obtained were consistent with those obtained by mercury method.

Key words：?diffusion hydrogen; hot-extraction method; mercury method; collection time; internal temperature of test specimens

0?前言

隨著國內(nèi)裝備制造業(yè)升級換代，石化裝備、海洋工程、船舶重工、壓力容器及火電和核電的發(fā)展，工程機械用鋼的合金化程度越來越復(fù)雜且強度級別越來越高，焊接產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)逐步向長周期、大型化、高參數(shù)、輕量化發(fā)展，有些還需長期在高溫、高壓、低溫、深冷、腐蝕介質(zhì)等環(huán)境下服役[1]。因此，很多重要的工程在選用焊接材料時，都對其綜合性能指標有嚴格的要求，尤其是擴散氫含量的要求。焊接接頭中擴散氫的存在會導(dǎo)致接頭中冷裂紋的萌生、擴展與開裂呈現(xiàn)出延遲的特征[2-4]，可能在產(chǎn)品的使用過程中無預(yù)兆地出現(xiàn)，并增多且迅速擴展，容易導(dǎo)致嚴重的安全事故。為了確保焊接結(jié)構(gòu)和人身安全，需要科學(xué)、準確地測定焊縫金屬（可由熔敷金屬計算）中的擴散氫含量。

GB/T 3965—2012《熔敷金屬中擴散氫測定方法》[5]中規(guī)定測氫方法有水銀法、載氣熱提取法、集氫法（氣相色譜法）等。研究表明，載氣熱提取法G4 PHOENIX測氫儀的試驗溫度設(shè)定為400 ℃，收集21 min（標準規(guī)定的最短收集時間）時，測得的數(shù)值略低于水銀法和氣相色譜法（收集條件為45 ℃×72 h）[6]。日本學(xué)者的研究也發(fā)現(xiàn)，載氣熱提取法的數(shù)值低于氣相色譜法，并通過試驗證明了試塊內(nèi)部溫度沒有達到儀器所顯示的溫度（400 ℃）。為了探究載氣熱提取法測氫數(shù)值低的原因及驗證日本學(xué)者研究的相關(guān)結(jié)論，文中對載氣熱提取法測氫的試塊內(nèi)部溫度及收集時間進行了探究。

1?試驗材料與方法

1.1?試驗材料與試樣制備

探究試塊的內(nèi)部溫度試驗時，在材質(zhì)為Q235B的A型及B型試塊截面上鉆直徑約為3 mm孔直至試塊的中心部位，A型及B型試塊的尺寸與鉆孔位置如圖1所示。

探究載氣熱提取法收集時間的試驗采用焊條和藥芯焊絲2類共4種焊接材料，其焊接方法及焊接參數(shù)見表1。試驗用的母材及試樣的制備按照GB/T 3965—2012《熔敷金屬中擴散氫測定方法》進行，載氣熱提取法使用A型試塊，水銀法使用B型試塊，引弧、收弧板長度均為50 mm。每種焊接材料在相同條件下使用A型試塊焊制5個試樣用于載氣熱提取法試驗，使用B型試塊焊制4個試樣用于水銀法試驗。在焊制過程中盡量保持同種型號試樣的熔敷金屬質(zhì)量相近。

1.2?試塊內(nèi)部溫度測量方法

設(shè)定G4 PHOENIX測氫儀的爐溫為400 ℃，將鉆好孔的試塊放入紅外加熱爐內(nèi)，并將熱電偶探頭放入已鉆好的孔洞內(nèi)部，然后執(zhí)行測氫儀測氫試驗程序，在測氫儀紅外爐開始加熱的同時記錄熱電偶測溫儀的顯示溫度，也就是試塊的內(nèi)部溫度。

1.3?測氫方法

測氫方法與試驗程序按照GB/T 3965—2012中規(guī)定進行相應(yīng)分析操作。水銀法使用MF-1測氫儀，收集條件為45 ℃×72 h，而載氣熱提取法使用G4 PHOENIX測氫儀且設(shè)定爐溫為400 ℃。為了探究收集時間對測氫結(jié)果的影響，載氣熱提取法試驗的5個試樣收集時間分別設(shè)定為10 min，21 min，31 min，60 min，90 min進行動態(tài)測氫。

2?試驗結(jié)果與分析

2.1?探究試塊的內(nèi)部溫度試驗

探究試塊的內(nèi)部溫度試驗結(jié)果曲線，如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)將載氣熱提取法測氫儀的試驗溫度設(shè)定為400 ℃時，由其程序?qū)С鰷囟惹€表明，爐溫可在大約4 min左右達到400 ℃，然而由熱電偶測定的A型試塊的內(nèi)部溫度大約在51 min時穩(wěn)定在358?℃左右，B型試塊內(nèi)部溫度大約在27 min時穩(wěn)定在391 ℃左右。GB/T 3965—2012中表2的規(guī)定給定溫度為390 ℃和360 ℃時，最短收集時間分別應(yīng)為0.4 h（24 min）和0.5 h（30 min），應(yīng)是指恒溫收集時間，去掉冰殼冷風(fēng)吹干的試塊進入爐中加熱升溫至恒溫的時間不應(yīng)計入收集時間。所以如果載氣熱提取法測氫儀的試驗溫度設(shè)定為400 ℃，在進行測氫試驗測定過程時間設(shè)定時還需要根據(jù)試塊類型加上升溫時間。

2.2?探究載氣熱提取法收集時間的試驗

探究載氣熱提取法收集時間的試驗結(jié)果見表2，其中載氣熱提取法結(jié)果為每個A型試樣的單值，水銀法結(jié)果為4個B型試樣的平均值。由試驗結(jié)果可知，使用A型試塊進行試驗時，隨著收集時間的增加4種焊接材料的測量值都隨之增加，當(dāng)收集時間達到90 min時，載氣熱提取法的測定結(jié)果與水銀法接近。載氣熱提取法測定擴散氫含量時，擴散氫由試樣中被提取出來，然后由載氣帶入到熱導(dǎo)檢測器中

進行測定，熱導(dǎo)檢測器每0.2 s就會檢測一次擴散氫的含量，并記錄下電信號的數(shù)值。電信號的大小與擴散氫的含量成比例關(guān)系。然后測氫儀的內(nèi)部軟件程序會將所有的電信號數(shù)值連成一條曲線。再利用該曲線與收集時間（x軸）進行積分，得到的積分面積結(jié)合校準系數(shù)與試樣的熔敷金屬質(zhì)量，從而得到測試結(jié)果。

試驗對焊條E5516-G的電信號與收集時間的曲線進行了研究，在不同收集時間下得到的曲線及積分面積如圖3所示。隨著收集時間的增加，積分面積也隨之增加。當(dāng)收集時間設(shè)定為10 min時，其收集結(jié)束點電信號曲線仍然存在很大的斜率。隨著收集時間的增加，結(jié)束點的斜率逐漸減少，當(dāng)收集時間為90 min時，結(jié)束點的斜率為零，且測得的數(shù)值與水銀法具有較好的一致性。

另外，研究還使用E5016焊條采用焊條電弧焊焊制B型試樣進行載氣熱提取法測氫試驗并與水銀法進行對比，水銀法測氫結(jié)果為6.42 mL/100 g，載氣熱提取法收集時間為55 min時，結(jié)果為6.26 mL/100 g，與水銀法接近，其電信號隨時間變化的曲線如圖4所示。由圖4可知，55 min時B型試樣中的擴散氫已完全溢出。

結(jié)合探究載氣熱提取法收集時間的試驗結(jié)果，研究認為本試驗用儀器進行測氫試驗時A型和B型試塊的最短試驗時間應(yīng)保證載氣熱提取法電信號曲線收集結(jié)束點的電信號及斜率均接近0。因此，應(yīng)了解試驗用測氫儀爐溫與試塊內(nèi)部溫度的差異，保證足夠的最短收集時間，以確保完全提取出試樣中的擴散氫。

3?結(jié)論

（1）載氣熱提取法G4 PHOENIX測氫儀爐溫設(shè)定為400 ℃，收集21 min時測定的數(shù)值低于水銀法的原因是試塊內(nèi)部溫度達不到400 ℃，本研究樣本中，A型試塊的內(nèi)部溫度大約在51 min時穩(wěn)定在358 ℃左右，B型試塊內(nèi)部溫度大約在27 min時穩(wěn)定在391 ℃左右。

（2）本研究樣本中，將載氣熱提取法G4 PHOENIX測氫儀爐溫設(shè)定為400 ℃進行測氫試驗時，載氣熱提取法電信號曲線收集結(jié)束點的電信號及斜率均接近0時獲得的結(jié)果與水銀法具有較好的一致性。

參考文獻

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